一種反射聚光的雙面光伏發電裝置的設計研究

袁全紅

(廣東科技學院,廣東 東莞 523083)

太陽能作為一種清潔能源，由于具有普遍性、無害性和長久性等特點，與傳統化石能源相比優勢明顯[1]。近年來晶體硅太陽能電池組件發電效率提升緩慢，平均每年約提高僅0.5%，而雙面光伏發電技術發展迅速，雙面組件的市場占比快速上升，業內預計今年將迎來雙玻組件的爆發增長，而2025年將達到60%，成為市場主流產品。和單面組件相比，雙面組件的兩面均可接收太陽光，發電量更大[2]。如目前單晶光伏組件的正面轉換效率一般為18%～22%，而用透明背板(玻璃或者透明背板)封裝而成的雙面光伏組件，背面的光電轉換效率是正面的60%～90%。如果背面光照強度與正面一樣，那么，雙面光伏發電量可提高60%～90%。但是由于背面光照強度低，因此背面發電量的效果不佳，如雙面光伏組件在草地上應用發電量僅提高4.69%～8.24%，在沙地可提高8.06%，在白石子地面可提高20%，在鋁箔地面可提高25.30%，而在雪地上發電量最多也只能提高30%[3-4]。可見，對于雙面光伏發電關鍵是要能提高背面光照強度，才能真正發揮其優勢。

通過聚光系統可以提高光照強度，目前聚光方式可分為折射式聚光和反射式聚光。折射式聚光目前應用廣泛，小口徑時，多采用效率更高的普通透鏡，大口徑時多采用菲涅爾透鏡，加工材料更便宜，但是其可靠性差、壽命短、系統發電能力不佳[5]。反射式聚光器通常采用曲面玻璃(背面鍍銀)或曲面鍍膜鋁板制成，其反射系數可達95%以上。但是目前的聚光系統中，雖然聚光系數很大，但多為特制的小尺寸光伏電池，因此市場規模有限。如果能針對雙面太陽能電池組件，開發出背面聚光裝置，就能大幅度提高組件的發電量[6]。

1 單平面鏡反射聚光的原理

如圖1所示，設PV板的長度為KN，最低點K的垂足為O點，光伏板采用實時追蹤，始終與太陽光垂直，設PV板的傾角為a。S為平面鏡的右端點，S點的反射光剛好到達光伏板上邊N點，如果鏡面右端點S與PV板最低點的高度差為h不變，隨著a變大，則S點需要在水平面不斷右移。平面鏡M點的反射光剛好到達光伏板下邊的K點，則MS為此時的有效鏡面長度。設光伏板的長度為L，平面鏡的傾角為n，平面鏡光線的入射角為r，光伏板背面的入射角為b。

如圖1所示，則各幾何參數關系如下

圖1 平面鏡反射原理圖(L=5)

OS=h×tg(a)，KS=h/cos(a),tg(2r)=L×cos(a)/h，b=2r。

MS=2×h×sin(r)/cos(a)，n=r-a；

幾何聚光比p為系統的光線入射面與光線接收面的面積比，由于此處平面鏡反射光線是平行光，所以也等于光線入射面MS與光線接收面KN的長度比；光學聚光比P是指光線接收面與光線入射面的平均輻照度之比，由于光伏板背面反射光線是平行光，所以其入射角b相同，P也等于幾何聚光比p與反射效率η(即反射系數)和cos(b)的乘積,所以滿足如下關系：

p=MS/KN;P=p×η×cos(r)×cos(b);

取h=1.2L，通過MATLAB編程，可以得出各參數隨PV板傾角a的變化規律如圖2所示。

圖2 左平面鏡反射時各參數的變化曲線

由圖2可以看出：h=1.2 L時，當PV板在水平面的傾角a從0°升高到60°時，反射鏡轉動角n基本為線性變化，n從-18.9°(負數表示向上轉動，反之向下轉動)升高到48.7°；平面鏡光線的入射角為r從19.9°緩慢降到到11.3°。鏡面右端點S的水平位置OS從0緩慢升到10.4，此時剛好為電池板長度的2倍。平面鏡有效反射區長度MS從4.09緩慢升到4.71,幾何反射強度p從0.82緩慢升到0.94。電池板背面反射光線入射角b從39.8°緩慢下降到22.6°；按照鏡面反射率為0.95計算，光強反射強度P則從0.56緩慢升到0.81，通過積分可得，此時電池板背面接收的反射光強平均為0.65。

同理h=1.6L時，當PV板在水平面的傾角a從0°升高到60°時，反射鏡轉動角n基本為線性變化，n從-15°(負數表示向上轉動)升高到51.3°；平面鏡光線的入射角為r從16°緩慢降到到8.9°。鏡面右端點S的水平位置OS從0緩慢升到13.8。平面鏡有效反射區長度MS從4.41緩慢升到4.83,幾何反射強度p從0.88緩慢升到0.97。電池板背面反射光線入射角b從32°緩慢下降到17.4°；反射光強度P則從0.71緩慢升到0.88，通過積分可得，此時電池板背面接收的反射光強平均為0.75。由此可見，h越大，光線反射強度P越大，但平面鏡長度也略大，而且平面鏡水平位移OS也越大，裝置反射需要的活動空間也越大。為了適當降低本裝置的活動空間，取h=1.2L。

2 雙平面鏡反射聚光的分析

如果在光伏板右側也安裝一塊平面鏡TS′，則反射光也能完全照射到電池板背面，這樣就能夠實現雙平面鏡反射，如下圖3所示。

圖3 雙平面鏡反射原理圖(L=5)

設平面鏡與PV板KN最低點的高度差取h=1.2L不變，光伏板采用實時追蹤，始終與太陽光垂直。S′為右平面鏡的右端點，T為右平面鏡的左端點，T點的反射光剛好到達光伏板下邊K點，S′點的反射光剛好到達光伏板上邊N點，則TS′為此時的右鏡面有效長度。設光伏板的傾斜角為a，KN長度為L，右平面鏡的傾角為n′，右平面鏡光線的入射角為r′，KT與水平面夾角為t，光伏板背面右側反射光線的入射角為b′,右鏡反射光強幾何系數為p′，右鏡反射光強幾何系數為P′。如圖3所示，則各參數關系如下

tgr′=L/h/cos(a)+L×tag(a))/2，t=90-a-2×r′,n′=90-t-r′;

OT=h/tag(t),OS=h/cos(a)；

ST=OT-OS，MS′=L×p′;

p′=2×(L/tag(90-a)+h/sin(90-a))×sin(r′)/L;

P′=p′×cos(90-a-t)×cos(r′)×η;

通過MATLAB編程，可以得出各參數隨PV板傾角的a變化規律如圖4所示。

圖4 右平面鏡反射時各參數的變化曲線

可以看出：當h=1.2L不變，PV板在水平面的傾角從0°升高到60°時，反射光線入射角r，反射鏡轉動角n，光線反射后與水平面夾角t都為線性變化：r′從19.7°降到6.8°；n′從20.7°升高到66.8°；t從50°升高到16.4°。鏡面有效長度從4.1增大到4.9，左鏡面右端點S的水平位置OS從0升到10；左、右鏡距離TS從5升到10，而右鏡面左端點T的水平位置OT從5.1快速升到20.9。

同時幾何反射強度p′從0.82增大到0.98，光強反射強度系數P′則從0.57增大到0.90，積分得右鏡反射光強度平均系數為0.75。如果左平面鏡MS和右平面鏡TS′同時作用，雙平面鏡反射光疊加后，a從0°增大到60°時，兩鏡總反射光強度系數PP則從1.12增大到1.71，左鏡、右鏡及雙鏡反射光線強度系數隨PV板傾角a的變化曲線如圖5所示。通過積分可得電池板背面接收總的反射光強平均為1.396，因此，雙鏡反射效果更好，超過正面輻射強度39.6%。對于一般雙面光伏組件背面的光電轉換效率是正面的70%以上，那么背面發電量就能超過正面，即發電量提高1倍以上。

圖5 左鏡、右鏡及雙鏡反射光線強度變化

3 太陽有關角度的計算

及時準確計算太陽的角度是準確跟蹤太陽光線，提高發電量的前提[7]。赤緯角δ為地球中心與太陽中心連線與地球赤道平面的夾角。它僅由日期號n(一年的第n天)決定。通常可由Cooper公式近似計算，本文采用更精確的計算方法，即

(1)

a1-a4分別為從春分日、夏至日、秋分日、冬至日開始計數的天數[8]。

時角ω為各時刻地球自轉的角度，地球每小時自轉的角度為15°，并規定正午時角為零，上午時間取負，下午時角為正。

太陽高度角h為地球表面上某點與太陽的連線與地平面之間的夾角，當太陽出沒地平線的瞬間h為0。h與當地緯度φ、時角ω、赤緯角δ有關，由下式計算

sinh=sinφsinδ+cosφcosω

(2)

太陽方位角γ為太陽至地面上某給定點的連線在水平面上的投影與正南向(當地子午線)的夾角。規定:偏東為負，偏西為正。太陽方位角γ可由下式計算

sinγ=cosφsinω/cosh

(3)

根據以上公式，通過MATLAB編程，可以求出任何地點如何時刻的太陽角度，如東莞市(φ=23.05°)8.28日太陽高度角和方位角的變化曲線如圖6。

圖6 太陽高度角和方位角的變化曲線

4 平面鏡聚光發電裝置的設計

雙平面鏡聚光發電裝置如圖7右所示，整個裝置也由旋轉底座，電池板支架和反射鏡支架3大部分組成。旋轉底座左側下方的轉動軸安裝在地面的固定軸套內，右側的步進電機驅動滾輪使底座轉動，為對太陽的方位角γ進行跟蹤，設底座轉動半徑為R，如圖8所示，則步進電機轉角β為

圖7 雙平面鏡聚光發電裝置圖[9]

圖8 雙平面鏡聚光發電參數分析圖

β=Rγ/r(r為滾輪半徑)

(4)

電池板左側為固定支架，兩個平面鏡下側支架可以左右移動，分別用兩個步進電動機驅動兩個絲杠控制其水平位移,即OS和OT。光伏板和平面鏡的傾角統一采用鋼絲拉線來調節，利用三個步進電機控制三根拉線的長度l1、l2、l3來調節傾角。即可分別控制電池板傾角a、左平面鏡傾角n和右平面鏡的傾角n′。由圖7，則有關系式如下

(5)

(6)

(7)

采用拉線結構更簡單緊湊，且能減少光線的遮擋。反射鏡還可采用鍍膜鋁板，更輕便。三角形底板的中心設有一個單片機控制器，適應性廣，成本較低。設定好當地的經度和緯度，控制器就能自動計算出每天任一時刻太陽的方位角和高度角。再輸出控制信號，控制各個步進電機的轉動，從而實現對太陽光的實時跟蹤，提高發電量。對于多塊光伏板組成的發電陣列，采用本裝置，控制系統成本相對更低，經濟效益更加明顯。

5 結論

本文通過分析，得出了以下結論：

(1)計算表明，反射鏡與光伏板的垂直距離h越大，光線反射強度P越大，但平面鏡長度L和活動空間也越大。

(2)在左右兩側各采用一個平面鏡，反射光疊加后效果更好。當h=1.2L不變，光伏板傾角從0增大到60°時，兩鏡總反射光強度系數PP則從1.12增大到1.71。對于一般雙面光伏組件背面的光電轉換效率大大超過正面的60%，所以背面發電量就能超過正面，即發電量提高1倍以上。

(3)本雙平面鏡聚光發電裝置的傾角調節采用拉線結構簡單緊湊，且能減少光線的遮擋。通過控制相應的拉線長度，可以準確調節電池板及平面鏡的方位角和傾角，實現對太陽高度角的實時跟蹤。

(4)本裝置采用一個單片機集中控制，適應性廣，成本較低。設定好當地的經度和緯度，控制器就能自動計算出每天任一時刻太陽的方位角和高度角。再根據時間輸出控制信號，控制各個步進電機的轉動。對于多塊光伏板發電陣列，采用本裝置，控制系統成本相對更低，經濟效益更加明顯。